Isolationsmaterialien Was beeinflusst elektrische Durchschläge?

Einfluss der Frequenz

Viele Basisnormen legen eine sinusförmige Spannung bei 50 Hz bzw. 60 Hz zugrunde (z. B. IEC 60243, Elektrische Durchschlagfestigkeit von isolierenden Werkstoffen – Prüfverfahren). Moderne Schaltnetzteile arbeiten jedoch mit bedeutend höheren Frequenzen und und nicht-sinusförmigen Spannungen und Strömen. Dadurch steigt der Stress für das Isolationsmaterial.

Dazu muss man wissen, dass die elektrische Größe »Spannung« eine Aussage über die Kraft trifft, die notwendig ist, um eine Ladungseinheit zu bewegen. Diese »Arbeit« wird bei steigender Frequenz immer häufiger in das Isolationsmaterialien eingebracht. Unpolare Werkstoffe wie Keramiken oder Glas sind davon wenig betroffen, organische Isolationsmaterialien wie Polyethylen (PE), Polyamid (PA), Epoxidharz (EP), Polyurethan (PUR), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyamid (PA), Polyimid (PI) usw. sind jedoch mehr oder weniger polar. Die komplexen Polymerketten bilden Dipole, die sich nach dem äußeren elektrischen Feld auszurichten versuchen (Bild 6). Es entsteht mechanischer Stress und materialintern »Reibungswärme«, was die Spannungsfestigkeit verringert. Beim Hochfrequenzschweißen macht man sich diese Umpolungsverluste im Material sogar zunutze, um den Kunststoff aufzuschmelzen (dipolartige Kunststoffe wie PVC, PA und Acetate haben hohe dielektrische Verluste). Ganz grob kann man sagen: Je höher das angelegte elektrische Feld und je höher die Frequenz, umso mehr erwärmt sich das Material. Was beim Schweißen erwünscht ist, ist für ein Isolationsmaterial im Dauereinsatz schädlich. Denn diese innere Erwärmung bleibt bei Alterungsbetrachtungen häufig unbeachtet und wird über übliche Normmessungen (z.B. UL 746) nicht abgebildet (Tabelle 1).

Materialdielektr. Verlustfaktor tanδ (x 10-4)50 Hz 1 MHz
PTFE0,50,7
PP2,53,5
PI311
PET20210
PVC120300
PA (luftfeucht)39001300

 

Tabelle 1: Verlustfaktor tanδ für einige Isolationsstoffe bei verschiedenen Arbeitsfrequenzen

Frequenzumrichter und Schaltnetzteile belasten heute Isolationen stärker als früher, denn Motoransteuerungen oder Netzteile verwenden pulsweitengesteuerte Rechteckspannungen im Bereich von 20 kHz und mehr. Die dabei entstehenden Oberwellen haben Frequenzen bis weit über 50 MHz, und es entstehen beispielsweise durch Resonanzen und induktive oder kapazitive Kopplung Spitzenspannungen weit oberhalb der Betriebsspannung. Die hohen Schaltgeschwindigkeiten (du/dt) belasten erheblich die verwendeten Isolationsmaterialien, denn die Verlustleistung im Material lässt sich nach folgender Formel berechnen:

P = U² · ωC · tanδ(T)

Zusätzlich können Wellenreflexionen, Stehwellen und Rückwirkungen aus dem gespeisten Gerät die Isolation weiter stressen. Außerdem erhöht sich die Belastung durch die kapazitive Kopplung z. B. von Phase zu Erde oder Phase zu Phase. Bild 7 stellt diesen Zusammenhang für die häufig verwendete Polyesterfolie dar; die rote Kurve beschreibt, dass durch die Alterung die Durchschlagsspannung sinkt.

Die Durchschlagsspannung für Elektroisolierstoffe wird in vielen Datenblättern auf eine Arbeitsfrequenz von 50/60 Hz sinusförmigen Strom angegeben (IEC 60243, Elektrische Durchschlagfestigkeit von isolierenden Werkstoffen). Wie im Diagramm dargestellt, sinkt jedoch bei vielen Standardisolationsfolien bei höheren Frequenzen die Durchbruchspannungssfestigkeit deutlich. Hinweis: Die normierte Durchschlagsspannung wächst bei zunehmender Materialstärke nicht proportional mit. Vielmehr steigt die Durchbruchspannung durch die Verluste innerhalb des Materials bei größerer Materialstärke signifikant geringer (Bild 8).

Fazit: Neben der Alterung durch Temperatur und die Schwächung des Materials durch Teilentladungen bestimmt also auch die Frequenz maßgeblich die Überlegungen zur Auslegung eines elektrischen Gerätes.